开关电源热设计有限元仿真分析.doc

开关电源热设计有限元仿真分析热设计是开关电源可靠性设计的重要环节本文针对开关电源 芯片的温度过高和多热源之间的相互影响导致电源可靠性下降的问 题，基于有限元软件ANSYS对整个开关电源进行热分析，得到了稳态 温度分布云图，进而通过电路布局改进，散热器参数设计，整体结构 设计等几个方面进行优化设计，降低了开关电源的芯片温度，改善了 整个开关电源的温度分布情况，提高了开关电源的可靠性，延长了寿 命，具存较强的理论价值和工程应用意义关键词开关电源；热分析；ANSYS；热设计TN86A1674-6708 (2011)47-0034-020引言开关电源被广泛的应用于国防军事，工业自动化，家用电气等领 域的电子系统中随着开关电源逐步向小型化、高频化、高功率密度 发展，用户对幵关电源的可靠性设计提出了更高的要求温升是影响开关电源可靠性的关键性因素，如何将热量高效快速的导出，成为电 源工程师的首要任务［1］热设计的好坏直接影响着幵关电源的可靠性 和寿命，因而热设计是开关电源可靠性设计的重要环节本文以一个工作于密闭电源盒的开关电源为例，利用有限元软件 ANSYS对开关电源进行热设计，来提高整个开关电源的散热性能，使 得开关电源的主要发热器件的温度控制在允许的范围内，保证开关电 源安全可靠的运行。

1开关电源的热分析本文中开关电源为反激式，具有有源功率因数校正（APFC）环节， 主要发热元件有开关管，整流二极管，大功率电阻，变压器与电感等［2］首先利用ANSYS分析工作在空气中幵关电源的温度分布情况 1.1仿真边界条件和载荷说明1） 环境温度:25C；2） 对流系数:6W/m?K；3） 载荷：器件的生热率（P为器件的发热功率，V是器件等效热 源的体积）1.2模型的简化处理1）对于简化线圈模型来说，由于线圈在实际中是由一的漆包线绕制的，而且这样的绕线也不规则，在模型建立中使用单一圆柱 体来代替多圈的导体；2）芯片热源等效为长方体1.3网格模型模型中有些部分的尺寸微小，如MOSFET的等效热源，尺寸为13. 8 X8X0. 2mm3o选用ANSYS软件中的SOLIDTO单元.通过设置MSHKEY 和MSHAPE两个选项，完成对单元形状的控制在建立网格处理不规则 体的时候，特别是连接处理后的非六面体的情况，采用退化的四面体 单元进行网格划分，可以通过设定ESIZE，LESIZE的大小来决定单元 网格的大小，则模型网格单元数目为3245321.4仿真结果分析表1中是工作在空气中开关电源的温度分布情况。

利用红外热像 仪测得的温度，与仿真的温度值对照，相对误差较小，具有很好的准 确性实际上，此开关电源工作在一个封闭的电源盒内，内部的空气 流动速度很慢，在理想状态下，认为内部空气处于绝热状态，几乎不 导热因而各器件的实际工作时温度会更高为保证开关电源 安全可靠的运行必须采取有效的散热措施，迅速的将电源盘内部的 热量导出，降低主要热源的温度2开关电源的热设计分析如何寻找低热阻通路来将热最迅速导出是设计幵关电源热设计的 关键问题，因为只有开关电源器件的结点温度降低后，这样才能避免 高温而导致开关电源可靠性下降的问题此开关电源工作在一个封闭 的电源盘内，由于工作环境特殊，不允许加风扇，只能采取自然散热 的措施其热设计的内容包括电源盘的内部热设汁和电源盘的外部热 设计通过设计将开关电源的前后级MOSFET，后级二级管，整流桥的温 度控制在60C以内，变压器的温度低于65C2.1电源盒的内部热设计开关电源的电源盒内部热设计主要是调整器件布局和改变内部介1）电路布局的热设计密封电源盘内热源的主要散热途径有以下几个方面：首先，通过 热源经盒内介质向壳体传导的热量，可以通过对流和辐射在壳体的表 面将热量发散到大气中；其次，通过盒体内部的介质可以把热量传递 到其他部件上，这样就可以形成温度的叠加效应。

所以，在设计过程中，在考虑不影响电路性能的情况下，应该使 得发热部件尽可能分散，且在电路板边缘分布，另外，固定在电源盒 的导热铝板应该与其相连电路板的后边缘则应该放置前后级MOSFET 和整流桥，与电源盒的侧壁相连靠的是2mm的导热铝板；而电路板的 前侧边缘放置后级二极管，同样，电源盒的侧壁相连靠的是同样厚度 表2是开关电源电路靠局调整前后的温度对照表，通过表2可以得出 如下结论：首先，可以看出前后级的MOSFET、整流桥和后级二极管温度都有 明显的降低变化，其主要的原因是因为由于低热阻通路-导热铝板的存 在，使得电路布局为这些器件与外壳之间存在这样一种合理的通路， 这样就可以使得器件产生的热量传导到电源盒体，从而温度梯度也得 以降低其次，对于变压器来说，温度变化很小通过内部空气传导到电 源盒的变压器的热量，在加上空气的热阻很大的原因，这样可以认为 在密闭条件较好的情况下的绝热状态同时，最高结点温度和环境温 度梯度也很大，这样来说对于变压器温度没有明显的降低变压器的温度变化很小这是因为变压器的热景主要通过内部空 气传导到电源盒，而空气的热阻很大，在密闭条件很好的情况下，可 以认为处于绝热状态。

变压器的最高结点温度与环境的温度梯度很大， 导致温度没有明显的降低所以尽管电路布局的调整改善了开关电源 的温度分布情况，有些器件的还存在较高的温度梯度，无法满足安全 可靠运行的要求2)电源盒内部介质的热设计热量主要以传导方式由内部器件传到电源盒，这一点可以从前面 的电源盒内热源的散热途径获得，经过对流换热的方式散发到空气中 根据传导散热的原理，内部介质的导热系数可以看做是影响电源盒内 部温度梯度的主要因素，其中，由于介质的导热系数与内部热源的温 度梯度成反比的原因，说明了质的导热系数越大，内部器件的温度梯 度就越小，热源的结点温度就越低根据开关电源主要器件温度与内部介质的导热系数的关系曲线可 以得出如下的结论：(1)器件的温度和内部介质导热系数变化成反比，并且基本上所 右器件最终趋于同一温度2)变压器的温度曲线存在一定区别，表现在介质导热系数为1.2 W/m?K时有一定的上升，这可能是因为变压器的温度低于丼他热 源的温度，但是需要注意热量具有从温度高的流向温度低物体的规律， 这样巾于变压器温度相对较低时，当存在其他热源的影响，变压器温 度也是可以理解的2.2电源盒的外部热设计电源盒的壁厚和壳体表面肋片的设计构成了电源盒的外部热设 计，需要注意，其表面的散热方式为对流和辐射，这样，根据流散热 的原理，表面散热面积则是影响散热的主要因素，其中，电源盒的表 面散热面积与外壳肋片的高度影响直接相关。

开关电源的传导散热主要受到电源盒的壁厚的影响，同时，电源 盒表面的对流散热则受到外壳的肋片高度影响因此，对于多热源的 封闭盒体来说，在限定电源盒尺的条件下，外壳的肋片高度对于散热 的影响一般大于壁厚的影响，所以对于封闭盒体来说，主要的散热形 式为表面的对流散热，这样能有效的散发热量，降低盒体内部器件的 结点温度所以根据上述结果分析可知，对于电源热设计中需要采用内部灌 胶，而对于主要发热器件来说则需要通过导热铝板与电源盒外壳相连， 同时采取电源盒外壳加肋片的综合散热措施，这样可以有效控制开关 电源温度，达到预定目标，从而满足设计要求3结论本文开共电源因其工作环境的要求，限制了散热措施的选择在 只能采取自然散热措施，且功耗很大，电源盒的尺寸和重量受到严格 限制的条件下，分别对电路板和电源盒的结构进行了热设计，寻找一 种有效的散热措施，降低了主要器件的温度，提高开关电源的可靠性, 延长了寿命参考文献[1] 余明杨，蒋新华，王莉，等.幵关电源的建模与优化设计研究 [JL中国电机工程学报，2006, 26(2).[2] 姬海宁，兰中文，张怀武，等.基于ANSYS的开关电源变压器 热模拟研究[J].磁性材料及器件，2006，37(4).。